UKP Laser Mehrere 100.000 Löcher die Minute bohren

Von Martin Grolms

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Ultrakurzpuls-Lasermaschinen haben den Schritt vom Labor in die Produktionshallen längst geschafft. Pulsar Photonics hat mit einem neuen, modularen Maschinenkonzept eine flexible Lasermaschine entwickelt, die individuell anpassbar ist und so die Prozesse der Mikrobearbeitung erheblich effizienter macht.

In der Elektromobilität werden keramische Wellen und Lagerkomponenten eingesetzt. Die gezielte Strukturierung mit Multi-Beam-Scannern reduziert die Reibung deutlich und verbessert die Energieeffizienz der Fahrzeuge.
In der Elektromobilität werden keramische Wellen und Lagerkomponenten eingesetzt. Die gezielte Strukturierung mit Multi-Beam-Scannern reduziert die Reibung deutlich und verbessert die Energieeffizienz der Fahrzeuge.
(Bild: Pulsar)

Sägen, Fräsen, Bohren – die mechanische Bearbeitung ist nach wie vor der zentrale Prozessschritt in der Produktion. Je kleiner die Werkstücke sind, desto empfindlicher reagieren sie dabei auf Wärme, Spannungen und Querkräfte. Eine echte Herausforderung, denn das Motto des 21. Jahrhunderts lautet: Kleiner, leichter, effizienter und nachhaltiger. Toleranzen nehmen ab und die verwendeten Werkstoffe werden vielfältiger. Laser übernehmen daher immer öfter die Bearbeitung im Mikrometerbereich – und zwar schneller und genauer als übliche Technologien.

Die höchste Präzision beim Mikrobohren, Feinschneiden und der Oberflächenstrukturierung erreichen Ultrakurzpuls (UKP) Lasermaschinen. Sie lassen sich bei nahezu allen Materialien einsetzen und übertragen dabei die Energie in extrem kurzen und intensiven Pulsen auf das Werkstück. Dadurch wird das Material lokal verdampft und nahezu keine Wärme in das benachbarte Material eingetragen.

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Aus dem Labor in den industriellen Alltag

UKP-Laser haben den Sprung vom Forschungslabor in die industrielle Produktion längst hinter sich und haben sich als die hoch präzisen Allroundwerkzeuge der Lasermikrobearbeitung etabliert. 2013 gründeten Stephan Eifel, Jens Holtkamp und Joachim Ryll das Unternehmen. Sie kennen sich vom Fraunhofer Institut für Lasertechnik (ILT) in Aachen, wo sie erfolgreich promovierten.

Die UKP-Technologie hat viele technische Vorteile war aber in vielen Bereichen noch zu teuer.

Es fehlte die passende Maschinentechnik. Wir haben die Werkzeugmaschinen weiterentwickelt und sie sowohl an die Bedürfnisse der Einzelteil- als auch der industriellen 24/7-Serienfertigung angepasst.

Joachim Ryll, Gründer Pulsar Photonics

Doch erst die innovative Steuerungssoftware, die alle Komponenten intelligent miteinander verbindet, macht die Pulsar-Maschinen so flexibel und gleichzeitig effizient, dass die Technologie in vielen Prozessen wirtschaftlich einsetzbar ist.

Die UKP-Laser werden immer leistungsstärker und der Preis pro Watt gleichzeitig geringer. Die Bearbeitungszeit kann dadurch bei gleicher Qualität in vielen Anwendungen deutlich verkürzt werden; dadurch lassen sich die Fertigungskosten deutlich senken.

Jens Holtkamp, Gründer Pulsar Photonics

Die Herausforderung sei es derzeit, neue Laserprozesse und passende Optikmodule zu entwickeln. Daher entscheiden sich immer mehr Unternehmen für Ultrakurzpuls-Lasermaschinen in der Mikrobearbeitung. Laut Financial Times gehört Pulsar dadurch zu den am stärksten wachsenden Unternehmen Europas.

Pulsar Photonics ist mittlerweile kein Start-up mehr, sondern Komplettanbieter für Lasermikrobearbeitung mit Kurz- und Ultrakurzpulslasern. Seit 2021 ist das inzwischen knapp 50 Mitarbeiter starke Unternehmen Teil der Schunk Group.

Ganz neu auf dem Markt ist die modulare Ultrakurzpuls-Lasermaschine RDX800.

Bei derart vielfältigen Anforderungen unserer Kunden, einer so breiten Palette an Möglichkeiten hinsichtlich Materialien, Bearbeitung und Lasertechnik bietet sich eine modulare, flexibel konfigurierbare Anlage einfach an.

Joachim Ryll, Gründer Pulsar Photonics

Ein Kunde fordert eine manuelle Steuerung und ein anderer eine vollständige Automatisierung und Integration in eine bestehende Fertigungsstraße.

Allroundwerkzeug für zahlreiche Anwendungen

Die UKP-Laseranlagen von Pulsar Photonics eignen sich sowohl für Feinbohrungen von wenigen Mikrometern Durchmesser als auch für Präzisionsbohrungen im Sub-Millimeter-Bereich. Sie erlauben beispielsweise das Bohren von Löchern mit Durchmessern kleiner als zwei Mikrometer. Durch den schmelzfreien Ablationsvorgang entstehen Präzisionsbohrungen, die nicht nachbearbeitet werden müssen.

Die hohe Präzision erreichen wir mit modernsten Strahlformungstechnologien und Spezialoptiken. Aber auch die Wiederholgenauigkeit und die Qualität der Bohrungen sind beeindruckend.

Stephan Eifel, Gründer Pulsar Photonics

Die hohe Reproduzierbarkeit ergibt sich unter anderem dadurch, dass sich das Werkzeug „Laser“ nicht abnutzt.

UKP-Laser erlauben besonders selektives Arbeiten

Das Potenzial ist bei der Herstellung von Elektronikbauteilen besonders groß; der Trend zur Miniaturisierung ist in der Elektronik ungebrochen, alles wird immer kleiner und kompakter. UKP-Maschinen bohren winzige Löcher in Leiterplatten; sie schneiden MEMS oder winzige Schaltkreise für RFID-Systeme. Viele asiatische Hersteller setzen bereits auf Ultrakurzpulslaser, weil sie besonders selektives Arbeiten erlauben, ohne dass benachbarte, temperatursensible Bereiche thermisch belastet werden – ein wichtiger Aspekt für empfindliche Materialien und Dünnschichtsysteme, die sich mit klassischen Verfahren nicht oder nur schwer bearbeiten lassen.

Mit den neuen Lasermaschinen ergeben sich auch in anderen Industrien neue Freiheitsgrade: Sie schneiden kleinste Kunststoffteile in allen drei Raumdimensionen sauber aus, ohne sie zu karbonisieren. Keramiken lassen sich ohne thermische Schädigung der Werkstoffe spannungs- und rissfrei bohren und schneiden. Metallisierte Oberflächen können per Laserabtrag mikrometergenau mit Isolationsgräben versehen werden, ohne das Grundsubstrat zu verletzen. In jedem aktuellen Mobiltelefon sind mittlerweile mindestens ein Dutzend UKP-Laserprozesse zu finden.

In Deutschland ist die Einspritzdüse das bekannteste Massenprodukt, das mit dem UKP-Laser gefertigt wird. Für die benötigten Tieflochbohrungen werden Pulslaser mit einer Wendelbohroptik eingesetzt. Aber auch in anderen Bereichen der Automobilindustrie wird die Mikrobearbeitung bereits eingesetzt, etwa bei Diesel- oder Benzinfiltern oder der Herstellung von Smart-Sensoren.

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Im Bereich Automotive können die neuen Lasermaschinen außerdem tribologische Systeme optimieren: Mit der gezielten Laserstrukturierung von Laufflächen in Gleit- oder Axiallagern können die hydrodynamischen Eigenschaften in einem weiten Bereich angepasst werden und den Reibungskoeffizienten signifikant reduzieren. Technische Keramiken und andere Hochleistungswerkstoffe erhalten hydrophile oder hydrophobe Eigenschaften, antibakteriell wirksame Oberflächen hemmen das Zellwachstum.

Prozessgerechte Automation und integrierte Messtechnik

Für die flächige Bearbeitung von Oberflächen eignet sich der Multi-Beam-Scanner, der einen starken Laserstrahl in 100 kleinere auffächert. Dieses spezielle Optikmodul war das erste Produkt von Pulsar Photonics. „Wir waren sofort von den Möglichkeiten des Multi-Beam-Scanner begeistert“, erinnert sich Eifel.

„Der Multi-Beam-Scanner MBS ist heute in der vierten Generation und nach wie vor einzigartig auf dem Markt“, erklärt Ryll. „Wir können damit schnell und präzise Oberflächen funktionalisieren oder auch 100 Löcher gleichzeitig bohren.“ Der MBS schafft mehrere 100.000 Löcher pro Minute, damit lassen sich beispielsweise Mikrosiebe für die medizinische Anwendungen, Pharmaindustrie oder Biotechnologie herstellen.

Die Basisversion der neuen RDX800 UKP-Maschine verfügt über zwei Arbeitsstationen für mehrstufige Prozesse und lange Achswege für den flexiblen Einsatz von zusätzlichen Vorrichtungen. Es sind beispielsweise Bohroptiken, Strahlformungssysteme, Mess- und Kontrolleinheiten verfügbar oder Automationslösungen bis hin zur 100%-Qualitätskontrolle.

Mit der modularen RDX800 können wir viele bestehende aber auch neue Anwendungen abdecken. Dank unterschiedlicher Optikmodule und einer Vielzahl von Optionen für die Automatisierung können viele Prozesse sehr einfach von der Klein- in die Großserienfertigung überführt werden. Dabei begleiten wir unsere Kunden von der Applikationsentwicklung bis zur Serienfertigung.

Jens Holtkamp, Gründer Pulsar Photonics

Bei der Investition in eine Ultrakurzpuls-Lasermaschine sind die Kosten und ihr Verhältnis zum Nutzen ein wichtiger Aspekt. Die Maschinen ermöglichen Fertigungsprozesse, die mit keiner anderen Technologie möglich sind. Hinzu kommen die Qualität der fertig bearbeiteten Bauteile und die Flexibilität: Die Maschinen sind Allroundwerkzeuge der Mikrobearbeitung und für vielfältige Prozesse einsetzbar. Es bleibt jedoch immer noch abzuwägen, ob Präzision und Strukturauflösung der klassischen Verfahren wie Erodieren, Ätzen und Galvanik ausreichen.

Neben der Herstellung der UKP-Lasermaschinen fertigt das Aachener Unternehmen auch zahlreiche Bauteile direkt im Kundenauftrag. „Für manche Kunden rechnet sich eine eigene Anlage nicht, weil sie nur kleine Stückzahlen benötigen. Andere wollen unsere Laser-Mikrobearbeitung erst einmal testen und schauen, was machbar ist“, erklärt Holtkamp. „Viele entscheiden sich anschließend für eine unserer Maschinen.“

* Martin Grolms ist freier Autor

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